Термодинамическое равновесие

                                      Содержание

Введение…………………………………………………………………………………………………3 
Термодинамическое равновесие………………………………………………………….4

Закрытые и открытые термодинамические системы…………………………..6 
Заключение…………………………………………………………………………………………….7

Литература……………………………………………………………………………………………..8

 

                                            Введение

      

             Термодинамическая система — это некая физическая система, состоящая из большого количества частиц, способная обмениваться с окружающей средой энергией и веществом.

Для описания термодинамической системы вводят так называемые термодинамические величины — набор физических величин, значения которых определяют термодинамическое состояние системы. Примерами термодинамических величин являются: температура, давление, объем, внутренняя энергия, энтропия, энтальпия, свободная энергия Гельмгольца, энергия Гиббса.

Если термодинамическое состояние системы не меняется со временем, то говорят, что система находится в состоянии равновесия. Строго говоря, термодинамические величины, приведённые выше, могут быть определены только в состоянии термодинамического равновесия.

     Целью работы является изучение термодинамических систем, для чего я поставила следующею задачу:

Изучить классификацию термодинамических систем и характеризовать их.

 

                            Термодинамическое равновесие

     

         Термодинамическое равновесие — состояние системы, при котором остаются неизменными по времени макроскопические величины этой системы (температура, давление, объём, энтропия) в условиях изолированности от окружающей среды. В общем, эти величины не являются постоянными, они лишь флуктуируют (колеблются) возле своих средних значений. Если равновесной системе соответствует несколько состояний, в каждом из которых система может находиться неопределенно долго, то о системе говорят, что она находится в метастабильном равновесии. В состоянии равновесия в системе отсутствуют потоки материи или энергии, неравновесные потенциалы(или движущие силы), изменения количества присутствующих фаз. Отличают тепловое, механическое, радиационное(лучистое) и химическое равновесия. На практике условие изолированности означает, что процессы установления равновесия протекают гораздо быстрее, чем происходят изменения на границах системы (то есть изменения внешних по отношению к системе условий), и осуществляется обмен системы с окружением веществом и энергией.В реальных процессах часто реализуется неполное равновесие, однако степень этой неполноты может быть существенной и несущественной. При этом возможны три варианта: равновесие достигается в какой-либо части (или частях) относительно большой по размерам системы — локальное равновесие, неполное равновесие достигается вследствие разности скоростей релаксационных процессов, протекающих в системе — частичное равновесие,имеют место как локальное, так и частичное равновесие.

В неравновесных системах происходят изменения потоков материи или энергии, или, например, фаз.Устойчивость термодинамического равновесия

Состояние термодинамического равновесия называется устойчивым, если в этом состоянии не происходит изменения макроскопических параметров системы.

Критерии термодинамической устойчивости различных систем:

    Изолированая (абсолютно не взаимодействующая с окружающей средой) система — максимум энтропии.

    Замкнутая (обменивается с термостатом только теплом) система — минимум свободной энергии.

    Система с  фиксированными температурой и давлением — минимум потенциала Гиббса.

    Система с  фиксированными энтропией и объёмом — минимум внутренней энергии.

    Система с фиксированными энтропией и давлением — минимум энтальпии.

 

Изолированная система (замкнутая cистема) — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой ни веществом, ни энергией. В термодинамике постулируется (как результат обобщения опыта), что изолированная система постепенно приходит в состояние термодинамического равновесия, из которого самопроизвольно выйти не может (нулевое начало термодинамики).

Адиабатически изолированная система — термодинамическая система, которая не обменивается с окружающей средой энергией в форме теплоты. Изменение внутренней энергии такой системы равно производимой над ней работе. Всякий процесс в адиабатически изолированной системе называется адиабатическим процессом.

На практике относительная адиабатическая изоляция достигается заключением системы в адиабатическую оболочку (например, сосуд Дьюара). Реальный процесс может также считаться адиабатическим, если он протекает достаточно быстро, так, что за короткое время теплообмен с окружающими телами пренебрежимо мал.

  

 

         Закрытые и открытые термодинамические системы.

 

            Открытая система — физическая система, которую нельзя считать закрытой по отношению к окружающей среде в каком-либо аспекте — информационном, вещественном, энергетическом и т. д.Открытые системы могут обмениваться веществом, энергией, информацией с окружающей средой.

Понятие открытой системы является одним из основных в синергетике, неравновесной термодинамике, в статистической физике и в квантовой механике.

Термодинамические открытые системы активно взаимодействуют с внешней средой, причем наблюдатель прослеживает это взаимодействие не полностью, оно характеризуется высокой неопределённостью. При определённых условиях такая открытая система может достигать стационарного состояния, в котором её структура или важнейшие структурные характеристики остаются постоянными, в то время как система осуществляет со средой обмен веществом, информацией или энергией — этот процесс называется гомеостазом. Открытые системы в процессе взаимодействия со средой могут достигать так называемого эквифинального состояния, то есть состояния, определяющегося лишь собственной структурой системы и не зависящего от начального состояния среды. Такие открытые системы могут сохранять высокий уровень организованности и развиваться в сторону увеличения порядка и сложности, что является одной из наиболее важных особенностей процессов самоорганизации.

Открытые системы имеют важное значение не только в физике, но и в общей теории систем, биологии, кибернетике, информатике, экономике. Биологические, социальные и экономические системы необходимо рассматривать как открытые, поскольку их связи со средой имеют первостепенное значение при их моделировании и описании.

 

Закры́тая систе́ма — термодинамическая система, которая может обмениваться с окружающей средой теплом и энергией, но не веществом, в отличие от изолированной системы, которая не может обмениваться с окружающей средой ничем, и открытой системы, которая обменивается с другими телами как теплом и энергией, так и веществом.

 

Если закрытая система проста, то есть содержит только один тип элементов (атомов или молекул), то количество этих элементов является постоянной величиной. Тем не менее, в системах, в которых могут идти химические реакции, могут существовать самые разные виды молекул, которые образуются и уничтожаются в процессе реакции.

 Поэтому, система остаётся закрытой  в том случае, если общее количество  каждых элементарных атомов сохраняется, независимо от того, частью какого  типа молекул они являются.

 

Математически для каждого элемента в системе: \sum_{j=1}^m a_{ij}N_j=b_i^0, где

N_j — количество молекул типа j,

a_{ij} — количество атомов элемента i в молекуле j, и

b_i^0 — общее количество атомов  элемента i в системе, которое остается  постоянным, так как система закрытая.

 

                                                     Заключение

 

Изучив все это ,мы пришли к следующим выводам:

 

1)Если термодинамическое состояние  системы не меняется со временем, то говорят, что система находится  в состоянии равновесия.

2) В современной физике существует следующая классификация термодинамических систем по признаку их возможности обмена энергией и веществом с окружающей средой или с другими системами :

а) Система открытая, если возможен обмен энергией и веществом.

б) Система закрытая, если обмен энергией возможен, а обмен веществом невозможен.

3) Термодинамические системы подразделяются на однородные по составу (например, газ в сосуде) и неоднородные (вода и пар или смесь газов в сосуде).

Выделяют также изолированные системы, то есть системы, которые не обмениваются с окружающей средой ни энергией, ни веществом, и закрытые системы, которые обмениваются со средой только энергией, но не обмениваются веществом. Если же в системе происходят обменные процессы с окружающей средой, то её называют открытой.

4)Закрытые системы дополнительно подразделяются по признаку возможности осуществления энергообмена следующим образом:

а) Система замкнутая, если энергообмен возможен, но невозможен обмен с внешней средой путем совершения механической работы.

б) Система изолированная, если невозможен обмен системы с окружающей средой ни энергией, ни веществом.

в) Система адиабатная, если полностью отсутствует теплообмен системы с окружающей средой.

 

 

                                                Литература

 

1. Гардинер К. В. Стохастические методы в естественных науках. М.: Мир, 1986
2. Изд. Центра ”Источник информации (Мекор мейда)”
3. Климонтович Ю. Л. Введение в физику открытых систем. М.: Янус-К, 2002.
4. Кошарский В., 2006, Системный подход – путь к познанию и решению проблем. – Хайфа, Сб. ”Системные исследования и управление открытыми системами”
5. Николис Г. , Пригожин И. Познание сложного. - М.: Мир, 1990 г.